Cours (terminales technologiques) : la pression atmosphérique

Un exemple d’expérience scientifique : la découverte de la pression atmosphérique

Dans les années 1630, les fontainiers de Florence posèrent à Galilée (1564-1642) un problème technique. Ils n’arrivaient pas à faire remonter l’eau dans leurs pompes à plus de 10,33 mètres environ. Le grand physicien se saisit de ce problème et en proposa une solution qui se trouve dans son grand ouvrage Discours sur deux sciences nouvelles (1638). Cette solution consistait à prétendre que l’eau remontait dans les pompes car « la nature a horreur du vide », autrement dit, la matière tend à occuper tout l’espace.

C’est son disciple, Torricelli (1608-1647) qui proposa une solution qui montre comment on peut chercher à vérifier par l’expérience une hypothèse ou conjecture. La théorie générale de Torricelli est que l’air pèse sur toute la surface de la Terre, ce qui explique l’effet limité des pompes. Elle contredit un principe général de la physique traditionnelle héritée d’Aristote selon laquelle seuls deux des quatre éléments ont un poids, à savoir l’eau et la terre, et donc un mouvement naturel vers le bas, qu’on nommait des « graves », l’air et le feu, les « légers » ayant un mouvement naturel vers le haut.

Torricelli proposa une expérience qui était la suivante (cf. lettre de Torricelli à Ricci du 11 juin 1644). Il remplaça l’eau par le mercure beaucoup plus lourd (14 fois environ). Il se munit d’un tube à essai d’un mètre qu’il remplit de mercure et d’un récipient lui-même plein de mercure. Il prévoit que si le tube à essai était renversé dans le mercure du récipient, celui du tube ne s’écoulerait pas entièrement et s’élèverait à une hauteur qui était calculable à l’avance, à savoir la hauteur d’élévation de l’eau dans les pompes divisée par la différence de poids entre l’eau et le mercure. Les mesures de son époque et les unités de mesure étant différentes des nôtres, il est peu important de donner des résultats précis. Disons que la hauteur prévue était d’environ soixante seize centimètres.

Le résultat fut concluant.

Deux problèmes se posèrent toutefois. D’une part, qu’est-ce qui se trouve dans la partie du tube à essai apparemment vide ? Est-ce le vide ? Ce sera l’interprétation de Pascal (1623-1662). D’autre part, est-ce que l’expérience ne peut pas s’expliquer par la physique traditionnelle, c’est-à-dire par la thèse selon laquelle « la nature a horreur du vide ». Ce qui reviendrait à dire que le mercure tente d’occuper le plus grand espace possible malgré son poids. Une matière invisible remplissant la partie apparemment vide. Ce qui permettait de conserver la distinction entre les « graves » et les « légers ».

C’est Pascal qui proposa une solution pour trancher les deux problèmes. Il proposa le raisonnement suivant. Si c’est la pression atmosphérique qui est la cause de l’élévation du mercure dans un dispositif expérimental de Torricelli, alors cette élévation doit diminuer en fonction de l’altitude puisqu’il y a moins d’air au fur et à mesure que l’on s’élève en altitude. Par contre, si c’est « l’horreur du vide » qui est la cause de cette élévation, elle doit être la même quelle que soit l’altitude.

Il exposa ce raisonnement dans une lettre (datée du 15 novembre 1647) adressée à son beau-frère Florin Périer. Ce dernier se trouvait à Clermont-Ferrand. Il pouvait réaliser l’expérience de Torricelli au bas et au sommet du Puy de Dôme. Il la réalisa et donna dans une lettre (datée du 22 septembre 1648) adressée à Pascal le compte rendu de l’expérience dite du Puy de Dôme. L’expérience fut concluante. Pour une altitude de 1000 mètres environ, la différence dans l’élévation de la colonne de mercure était de 8 centimètres environ, moindre comme prévue au sommet du Puy de Dôme.

Tous les physiciens (Descartes notamment) ne s’accordèrent pas avec Pascal pour accepter que l’expérience démontrait l’existence du vide. Il le soutint dans son Récit de la grande expérience des liqueurs [= liquides] publié en novembre 1648 qui comprenait l’historique de la question, les copies des deux lettres échangées entre Pascal et Périer ainsi que la copie du compte rendu de l’expérience par Périer et les conclusions de Pascal. Il n’en resta pas moins vrai que l’expérience resta concluante pour démontrer l’existence de la pression atmosphérique. C’est la raison pour laquelle son unité de mesure devint le pascal.